李新獻(xiàn)，谷文平，吳天安

（中船華南船舶機(jī)械有限公司，梧州 543001）

1 前言

液壓升降機(jī)廣泛應(yīng)用于貨物的上下搬運(yùn)，一般都使用液壓缸作為驅(qū)動元件：上升階段液壓缸驅(qū)動升降平臺和貨物向高位運(yùn)動，液壓系統(tǒng)做的功轉(zhuǎn)換成了升降平臺和貨物的重力勢能；下降階段從高位下降到低位的過程中，升降平臺和貨物的重力做功，它們的勢能轉(zhuǎn)換成其它型式的能量。

本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)屬于某船用液壓升降機(jī)升級項(xiàng)目，該升降機(jī)配套的船舶上原來安裝有一臺液壓升降機(jī)，主要用于升降大型貨物（例如車輛）。在使用過程中，暴露出運(yùn)行速度無法滿足需求的問題，因此用戶提出了對升降機(jī)進(jìn)行升級以提高運(yùn)行速度的要求；同時，為了降低經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)省安裝空間和降低整船重量，用戶還要求新的升降機(jī)液壓系統(tǒng)必須使用船上原有的液壓泵站。該液壓泵站為船上多套設(shè)備共用，使用的是恒壓變量泵，因此新的升降機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力必須沿用原液壓泵站的輸出壓力；所有正在工作的設(shè)備的流量之和不能超過原液壓泵輸出的最大流量，否則液壓泵會出現(xiàn)系統(tǒng)失壓。

新的設(shè)計(jì)除了受到船舶現(xiàn)有條件的限制之外，還要考慮船舶升沉、橫搖、縱搖等運(yùn)動的影響，從而對升降平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及升降機(jī)工作過程中的穩(wěn)定性有更高的要求，這一方面導(dǎo)致了新設(shè)計(jì)的升降平臺的重量龐大，不但比相同工作負(fù)載的陸用液壓升降機(jī)大得多，有時甚至大大超過所需搬運(yùn)的貨物重量，如果采用常規(guī)設(shè)計(jì)，則液壓缸的規(guī)格也相應(yīng)增大，工作時需要的流量也很大。

本文參考文獻(xiàn)[1]，利用復(fù)合缸—蓄能器，在升降機(jī)構(gòu)上升時，通過活塞對機(jī)構(gòu)施加一個輔助舉力；又參考文獻(xiàn)[2]，使用一個主液壓缸和一個輔助液壓缸，輔助液壓缸上放置配重，把升降平臺的勢能轉(zhuǎn)換成配重的勢能；以及參考文獻(xiàn)[3]，利用蓄能器在下降時把重力勢能進(jìn)行存儲。設(shè)計(jì)了一種由液壓缸和蓄能器組成的自重平衡系統(tǒng)，通過抵消升降平臺重量來減小液壓缸的受力，減小液壓缸規(guī)格，達(dá)到在不增加系統(tǒng)流量的前提下，提高升降機(jī)運(yùn)行速度的目的。

2 常規(guī)液壓升降機(jī)液壓系統(tǒng)

2.1 液壓系統(tǒng)組成

常規(guī)液壓升降機(jī)的液壓系統(tǒng)，由電動機(jī)、液壓泵、溢流閥、單向閥、換向閥、蓄能器、液壓缸、平衡閥以及升降平臺組成：其中，行走型的液壓升降機(jī)一般使用柴油機(jī)代替電動機(jī)作為動力源，大多數(shù)小型液壓升降機(jī)并不安裝蓄能器，而較大型的有時會安裝。蓄能器利用液壓缸的有桿腔的活塞面積比無桿腔小、下降階段所需的流量較起升階段小的系統(tǒng)特性，在下降階段把液壓泵多余的流量進(jìn)行存儲供下次起升使用。升降平臺的重量是固定的，每次上升時，2個液壓缸需克服升降平臺的重力做功。

常規(guī)液壓升降機(jī)液壓系統(tǒng)圖，如圖1所示。

圖1 常規(guī)液壓升降機(jī)液壓系統(tǒng)圖

2.2 工作原理

（1）上升階段

上升前先給蓄能器6充油，使其壓力達(dá)到規(guī)定值，再操控?fù)Q向閥5工作在左位，蓄能器6預(yù)存的高壓油液和液壓泵2輸出的高壓油液一起經(jīng)平衡閥8進(jìn)入液壓缸7的無桿腔，形成壓力PA1作用在活塞面積A1上，活塞桿驅(qū)動升降平臺攜帶貨物上升。液壓系統(tǒng)做的功，大部分轉(zhuǎn)換成了升降平臺和貨物的重力勢能。

（2）下降階段

換向閥5工作在右位，液壓缸7無桿腔的高壓油液經(jīng)過平衡閥8和換向閥5回到油箱。升降平臺和貨物的重力勢能，在平衡閥8處轉(zhuǎn)換成液壓系統(tǒng)中的熱能，釋放在液壓油中使油溫升高。

（3）運(yùn)行速度

起升工況下，活塞桿伸出所需要的時間為：

下降工況下，活塞桿完全收縮所需要的時間為:

式中：D——液壓缸的活塞直徑，m;

d——液壓缸的活塞桿直徑，m；

S——液壓缸活塞的行程，即升降機(jī)的運(yùn)行高度，m;

Q——進(jìn)入液壓缸的流量，L/min。

根據(jù)上述公式，在升降機(jī)運(yùn)行高度不變的前提下，要想減小活塞的運(yùn)行時間增大升降機(jī)運(yùn)動速度，可通過增大流量Q和減小活塞直徑D的辦法來實(shí)現(xiàn)。因此，如果是全新的設(shè)計(jì)，增大液壓泵站的流量Q是最直接、最簡單的解決方案。但本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)由于流量受限，所以無法采用此方案。

至于減小活塞直徑D的方案，根據(jù)液壓缸的推力公式

式中：D——液壓缸活塞直徑，m；

P——作用在液壓缸活塞面積上的壓力，pa。

如果在升降平臺和貨物的重量不變的情況下直接減小活塞直徑D，則液壓缸的推力會減小，升降機(jī)無法提升額定負(fù)載；只有在減小平臺的重量（即減小液壓缸受力）的情況下，減小液壓缸活塞直徑的方案才可行。

減小升降平臺自身的重量，除了眾所周知的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用高強(qiáng)度材質(zhì)等之外，還可以在液壓系統(tǒng)下功夫。下面介紹的升降機(jī)采用了一種自重平衡系統(tǒng)，通過它可以抵消升降平臺重量，使減小液壓缸規(guī)格成為可能。

3 基于自重平衡的升降機(jī)液壓系統(tǒng)

3.1 液壓系統(tǒng)組成

基于自重平衡的船用大型液壓升降機(jī)系統(tǒng)，由電動機(jī)1、液壓泵2、單向閥3、溢流閥4、電比例換向閥5、電磁換向閥6、溢流閥7、單向閥8、 液壓缸9、平衡閥10、液壓缸11、蓄能器12、平衡閥13、以及升降平臺14組成，其與常規(guī)液壓升降機(jī)的不同之處主要在于：多了由液壓缸11和蓄能器12組成的升降平臺自重平衡系統(tǒng)。

設(shè)有自重平衡系統(tǒng)的升降機(jī)液壓系統(tǒng)圖，如圖2所示。

圖2 設(shè)有自重平衡系統(tǒng)的升降機(jī)液壓系統(tǒng)圖

3.2 自重平衡原理

（1）升降機(jī)上升時

升降平臺的受力如圖3所示（忽略摩擦力、液壓缸活塞及活塞桿的重量）。

圖3 升降平臺受力圖（上升工況）

假如升降平臺上沒有貨物負(fù)載，上升時其自身重量全部由液壓缸11承受而處于受力平衡狀態(tài)，升降平臺的受力如下：

式中：G——升降平臺受到的重力，N；

F1、F2——液壓缸9.1和液壓缸9.2對升降平臺的作用力，F(xiàn)1=F2，N；

F3——液壓缸11對升降平臺的作用力，N。

把液壓系統(tǒng)參數(shù)代入式（1），可得到：

式中：P——液壓缸9無桿腔的壓力，MPa。

A1——液壓缸9的活塞面積，mm；

P——液壓缸11無桿腔的壓力，MPa；

A2——液壓缸11的活塞面積，mm。

如果能讓中間的液壓缸11對升降平臺的作用力的大小等于升降平臺自身的重力，則升降機(jī)上升時兩邊的液壓缸9作用力會相應(yīng)減少。

升降平臺的重力G（忽略船體運(yùn)動產(chǎn)生的加速度）和液壓缸11的活塞面積A2是固定值，由于液壓缸11的無桿腔通過管路和蓄能器12連通，所以活塞所受的壓力P等于蓄能器液體側(cè)的壓力（忽略管路的壓力損失）；在升降機(jī)運(yùn)動過程中，液壓缸11無桿腔的容積會隨之變化，則蓄能器12的排油/進(jìn)油量也會隨之變化，蓄能器的壓力是一個動態(tài)值；當(dāng)升降平臺上升到最高點(diǎn)時，無桿腔的容積最大，蓄能器處于最小工作壓力P1狀態(tài)，因此只要令P1=P，液壓缸11即可完全支持升降平臺的重量。

（2）升降平臺下降時

升降平臺的受力如圖4所示。

圖4 升降平臺受力圖（下降工況）

升降平臺所受的重力方向始終朝下，與液壓缸9.1和9.2的作用力F1和F2形成了向下的合力，共同驅(qū)動液壓缸11向下運(yùn)動，把液壓缸11中的液壓油擠壓進(jìn)蓄能器12。因此，每次下降時蓄能器存儲的液壓能當(dāng)中有一部分是由升降平臺的重力勢能轉(zhuǎn)換而來，還有一部分消耗的是液壓泵站所做的功。

當(dāng)升降機(jī)下降到最低點(diǎn)、液壓缸11無桿腔的容積最小時，無桿腔中的油液都將被活塞壓回到蓄能器12中，此時無桿腔的壓力亦即蓄能器的最高工作壓力為P2；P2和P1的差值越小，則在液壓缸11從零行程運(yùn)動到最大行程時蓄能器的壓力變化越小，但所需要的蓄能器容積越大，整機(jī)重量和體積都會增大；而P2和P1的差值越大，則液壓缸11在完全抵消升降平臺的重量的同時，還有余力支撐貨物負(fù)載總重量中的一部分，同時可以減少蓄能器的容積；但空載或攜帶的貨物負(fù)載很小時，下降過程中液壓缸11的無桿腔的壓力會越來越大，需要借助液壓缸9.1和液壓缸9.2做功，驅(qū)動升降平臺向下運(yùn)動把油壓回蓄能器，如此將需要液壓泵站作更多的功，因此P2的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，由于本文升降機(jī)全程上升或全程下降的時間t＜1min，因此蓄能器工作在絕熱過程，指數(shù)n=1.4、P0=0.9P1；蓄能器的有效工作容積（即排出油的容積）V，等于升降機(jī)運(yùn)動到最高點(diǎn)時的液壓缸無桿腔的容積（為已知量），因此，蓄能器的總?cè)莘eV0可按下式計(jì)算：

由以上工作原理可知，由油缸和蓄能器組成的自重平衡系統(tǒng)，相當(dāng)于一組液壓彈簧，該液壓彈簧可以平衡、抵消升降平臺的重力；升降機(jī)的PLC系統(tǒng)，可通過電比例換向閥5，對液壓缸9.1和液壓缸9.2的運(yùn)動方向和速度進(jìn)行控制。由于液壓缸9.1、液壓缸9.2和中間的液壓缸11是剛性連接，從而液壓缸11的速度也可控，亦即上述液壓彈簧的壓縮和釋放速度可控，升降機(jī)平臺可在程序控制下實(shí)現(xiàn)加速—勻速—減速的過程，增強(qiáng)了運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.3 工作原理

初次使用之前，先通過換向閥6給蓄能器12充油，充油壓力是蓄能器組的最大工作壓力P2，通過溢流閥7進(jìn)行調(diào)定；。在蓄能器建立壓力的過程中，由于平衡閥13.1和平衡閥13.2鎖住了液壓缸9.1和液壓缸9.2，液壓缸11不會被蓄能器的壓力驅(qū)動。

（1）空載上升

電比例換向閥5工作在左位，液壓泵2輸出的壓力油進(jìn)入液壓缸9.1和液壓缸9.2的無桿腔，同時打開平衡閥13.1和平衡閥13.2，由于液壓缸11的無桿腔作用力大于升降平臺的重力，液壓缸11可以克服系統(tǒng)的摩擦力驅(qū)動升降平臺向上運(yùn)動，液壓缸9.1和液壓缸9.2不需要做功，液壓泵2所做的功較小。

（2）空載下降

由于自重平衡系統(tǒng)的作用，無法依靠升降平臺的重力實(shí)現(xiàn)下降，需通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動。此時，電比例換向閥5工作在右位，液壓泵2輸出的壓力油進(jìn)入液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔提供向下的作用力，克服液壓缸11的作用力和系統(tǒng)機(jī)械摩擦力使升降平臺向下運(yùn)動；隨著升降平臺向下運(yùn)動，液壓缸11逐漸把無桿腔的油液壓回蓄能器，蓄能器的壓力逐漸升高，驅(qū)動升降平臺向下運(yùn)動的作用力也逐漸增大，液壓泵2所做的功相應(yīng)增大。

（3）攜帶貨物上升

電比例換向閥5工作在左位，液壓泵2輸出的壓力油進(jìn)入液壓缸9.1和液壓缸9.2的無桿腔，同時打開平衡閥13.1和平衡閥13.2，由于液壓缸11無桿腔的作用力大于升降平臺的重力，液壓缸9.1和液壓缸9.2僅需克服貨物的重力以及系統(tǒng)的機(jī)械摩擦力，即可驅(qū)動升降平臺攜帶貨物上升。

（4）攜帶貨物下降

電比例換向閥5工作在右位，液壓泵2輸出的壓力油進(jìn)入液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔，同時打開平衡閥10.1和平衡閥10.2；當(dāng)貨物的重量達(dá)到額定載荷時，貨物和升降平臺的重力抵消了液壓缸11的全部作用力及系統(tǒng)的機(jī)械摩擦力，液壓系統(tǒng)不需要做功驅(qū)動升降平臺下降，液壓缸9.1和液壓缸9.2所需的壓力小于升降平臺空載下降工況，液壓泵2所做的功相應(yīng)減小。

（5）緩沖作用

由于升降機(jī)安裝在船體上、當(dāng)船體發(fā)生升沉和搖擺時，升降平臺會受到船體加速度的影響，受力也發(fā)生變化：當(dāng)船體上升時，升降平臺會出現(xiàn)超重；當(dāng)船體沉降時，升降平臺會出現(xiàn)失重。由于液壓缸——蓄能器系統(tǒng)的存在，升降機(jī)相當(dāng)于安裝在一個液壓彈簧上，可以起到緩沖的作用，增強(qiáng)了升降機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

上述設(shè)有自重平衡系統(tǒng)的船用大型液壓升降機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

（1）升降平臺上升時，自重平衡系統(tǒng)抵消了升降平臺自身的重量，液壓缸9.1和9.2承受的力變小，運(yùn)動過程比常規(guī)升降機(jī)省力，液壓缸的尺寸變小，在流量不變的情況下可提高運(yùn)行速度；

（2）升降平臺下降時，由于自重平衡系統(tǒng)蓄能器壓力升高，使得液壓缸9.1和液壓缸9.2的作用力變大，運(yùn)動過程比常規(guī)升降機(jī)費(fèi)力，需要液壓系統(tǒng)參與做功，做功的大小與升降平臺上的貨物重量成反比；

（3）由于升降平臺和貨物的重力參與了給蓄能器充油的過程，它們的一部分勢能被蓄能器回收和儲存，可以為下一次上升提供一部分能量；

（4）在船舶升沉搖擺時，蓄能器作為液壓彈簧可以起到緩沖的作用，增強(qiáng)了升降機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

本文設(shè)計(jì)的自重平衡系統(tǒng)是按100%抵消升降平臺的重量考慮的，需要的蓄能器容積比較大；如果不考慮100%抵消升降平臺的重量，則需要的蓄能器容積可減小，但需要泵站輸出的流量會增加，這點(diǎn)需要結(jié)合動力源的具體條件進(jìn)行考慮。

本文的升降機(jī)液壓系統(tǒng)有其特殊性，使用的是船上的恒壓泵站，下降時和上升時輸出的壓力相等，當(dāng)液壓缸11的無桿腔面積大于液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔面積之和時，蓄能器的最高工作壓力P2應(yīng)小于恒壓泵站的設(shè)定值。

在空載上升和攜帶貨物負(fù)載下降工況時，雖然液壓缸9.1和液壓缸9.2的工作壓力變小了，但由于恒壓泵站輸出的壓力不會隨著液壓缸工作壓力的變小而減小，實(shí)際上泵站仍是輸出高壓力，存在壓力浪費(fèi)，這是使用所有恒壓泵站的液壓系統(tǒng)都存在的一大弊端；如果是全新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)，建議使用輸出壓力與負(fù)載壓力自動匹配的負(fù)載反饋型泵站來代替恒壓泵站。同時，在設(shè)計(jì)動力源時應(yīng)綜合考慮驅(qū)動液壓缸11給蓄能器充油時所需要的壓力、流量和功率問題。